63-120-1-sm

Prosiding SNST ke-3 Tahun 2012 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim Semarang D.29

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN PEMANAS PADA DISC

UNTUK ALAT UJI TRIBOMETER TIPE PIN-ON- DISC

Dian Prabowo*1)

, Aan Burhanudin2)

, Eko Armanto2)

, Didi Dwi K.2)

Jamari2)

, Syaiful2)

1)

Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Cilacap

Jl. Dr. Soetomo no. 1 Sidakaya, 53212 Cilacap 2)

Magister Teknik Mesin, Universitas Diponegoro

Jl.Prof. Sudarto, SH, Tembalang Semarang *

)e-mail: [email protected]

Abstrak

Perancangan ini merupakan suatu kajian dasar dalam ilmu Mekanika kontak (contact

mechanics) yang berorientasi pada aplikasi tentang tegangan dan deformasi yang timbul

ketika dua permukaan solid bodies saling bersentuhan satu sama lain pada satu titik atau lebih

(contact). Perancangan ini akan menelaah karakteristik suatu material yang ditimbulkan oleh

adanya perbedaan beban yang diterima, variasi temperatur dan pemodelan kontak (sliding

dan rolling). Alat uji pin-on-disc ini terhubung dengan suatu program pada komputer sehingga

pengaturan variasi putaran, temperatur dan jumlah putaran disc dapat dengan mudah di atur

dengan tujuan agar dalam pengujian lebih mudah untuk memvariasikan parameter yang akan

dipakai. Kontrol yang dipakai pada alat ini menggunakan mikrokontroler sebagai pengatur

dari peralatan yang ada pada alat uji ini ke komputer. Variasi yang disediakan pada alat ini

terdapat pada beban yang dapat diganti, temperatur yang dapat dirubah dari 5 C sampai 80C, putaran motor DC dapat diatur dan jumlah putaran disk dapat disesuaikan dengan kebutuhan pengujian. Untuk mengetahui gaya yang bekerja karena adanya pengaruh putaran

pada lengan dipasang sensor gaya yang dapat langsung diketahui datanya pada komputer.

Sensor yang digunakan adalah sensor suhu tipe DS18B20 merupakan sensor suhu digital yang

mempunyai keluaran berupa data, sensor gaya menggunakan loadcell, sensor putaran

menggunakan optocoupler U, pemanas yang digunakan yaitu peltier dan catu daya

menggunakan swiching. Hasil penelitian menunjukkan temperatur memiliki peran dalam

mempengaruhi keausan pada suatu material, semakin tinggi suhu yang diberikan semakin

tinggi tingkat keausan yang akan terjadi.

Kata Kunci: Perancangan, Mekanika kontak, Pin on Disc, Temperatur, Sensor

1. PENDAHULUAN

Tribotester adalah suatu alat yang digunakan sebagai alat uji untuk mengetahui kondisi dari

material tersebut. Pin on disc merupakan salah satu dari Tribotester yang nantinya digunakan

sebagai alat uji suatu material untuk mengetahui prediksi keausan dan gesekan. Pin on Disc terdiri

dari pin yang berupa bola yang terbuat dari material tertentu dan disc yang juga dapat divariasikan

jenis materialnya. Pada proses pengujian menggunakan Pin on Disc ,bola ditekan pada disc dengan

beban tertentu yang berputar dengan kecepatan putaran tertentu juga.

Temperatur juga mempengaruhi umur pakai dari suatu material, baik temperatur dari

lingkungan, perubahan temperatur dari gesekan ataupun pangaruh perubahan temperatur dari

material tersebut. Permukaan yang tidak benar-benar bersih, kondisi material yang tidak seragam,

kecepatan dan gerakan rolling, rolling-sliding, sliding, fretting, dan impact yang bervariasi dapat

menyebabkan gesekan awal lebih tinggi dari pada gesekan tahap sliding selanjutnya. Hal ini

menjadi gaya gesek menjadi tidak tunak. Terkadang gesekan antar permukaan mengalami

perubahan yang cepat setelah melewati periode tunak. Jika kondisi ini terjadi, maka topografi

permukaan menjadi tidak rata dan tekanan kontak semakin besar jika dibandingkan kondisi awal.

Efeknyanya umur pakai menjadi pendek.

Berdasarkan permasalahan yang ada, maka rancang bangun alat uji Pin-on-disc yang

khususnya desain pemanas ini bertujuan : Mengetahui pengaruh perbedaan temperatur pada

material,terhadap umur material tersebut. Penelitian tentang keausan karena kontak mekanik

mempunyai manfaat terhadap prediksi luluhnya material yang merupakan awal dari proses keausan

D.6. Rancang bangun dan pengujian pemanas pada disc ... (Dian Prabowo, dkk.)

ISBN 978-602-99334-1-3

D.30

akan dapat mendekati kenyataan yang sesungguhnya. Secara makro dapat dikatakan bahwa umur

pakai sebuah material dapat diprediksi secara akurat dengan memodelkan permukaan sebuah

benda.

2. TINJAUAN PUSTAKA

Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus (ASTM G-99). Pada

ASTM G-99 menjelaskan tentang standar dalam perancangan alat Uji Pin on disc. Metode uji ini

menjelaskan untuk skala laboratorium untuk menentukan umur suatu bahan selama meluncur

menggunakan pin-untuk aparatur-disk. Adapun Instrumentasi dan Data yang dapat diperolehan :

RPM, Keausan, Gaya gesekan, Suhu, Pengukuran resistensi kelistrikan.

Gambar 2.1. Skema umum Pin-on-Disc, dimana F : Beban normal,

R : Radius jalur yang digunakan, d : Diameter bagian atas bola pin, D : Diameter disk,

w : Kecepatan rotasi (ASTM G99-95a)

Tahapan keausan dalam hubungannya dengan waktu pakai terdiri atas tiga tahap (Jamari,

2006). Tahap pertama adalah tahap runing-in. Pada tahap ini, keausan meningkat secara signifikan

tetapi laju keausan berkurang seiiring dengan bertambahnya waktu ataupun rolling maupun jarak

sliding.

2.1. Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) merupakan ilmu yang meramalkan perpindahan energi

yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material.Jika pada suatu benda

terdapat gradien suhu (temperatur gradient), maka akan terjadi perpindahan energi dari bagian

bersuhu tinggi kebagian bersuhu rendah. Energi berpindah secara konduksi atau hantaran dan

bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradiaen suhu normal.

......................................................... 2.1

Perpindahan panas dari beban ke lingkungan sekitar, sebagian besar fungsi dari dua

konduksi termal-proses dan konveksi. Konduksi adalah transfer panas melalui materi (isolasi,

komponen struktural, segel, kancing, dll) dan merupakan fungsi dari perbedaan suhu (yaitu, Delta

T) di seluruh material, dimensi fisik, dan konduktivitas termal dari bahan (K). Konveksi adalah

perpindahan panas di lapisan batas udara pada permukaan material. Ini adalah fungsi dari T seluruh lapisan batas dan laju gerakan udara pada gerakan-permukaan lebih cepat udara, semakin

besar konveksi panas. konveksi merupakan komponen yang relative tidak penting dan Anda

seringkali dapat memfokuskan secara eksklusif pada elemen konduktif. Persamaan berikut dapat

digunakan untuk memperkirakan beban murni konduktif:

............................................... 2.2

dimana :

- Q adalah jumlah panas yang dilakukan (bisa juga dinyatakan dalam BTU / jam atau watt, meskipun dalam industri themoelectric, dokumentasi dukungan sebagian besar didasarkan pada

wattage);

- T adalah perbedaan suhu antara beban panas dan lingkungan sekitar (dalam F untuk BTU / perhitungan jam,dalam C untuk watt);


- K (Kappa) adalah konduktivitas termal dari material yang dinyatakan dalam BTU baik / jam-kaki F atau watt/meter C;

- L adalah ketebalan bahan (di kaki untuk BTU / perhitungan jam, meter untuk watt), dan - A adalah luas permukaan terkena material (dalam kaki persegi untuk BTU / perhitungan jam,

meter persegi untuk watt).

Konstanta positif k disebut konduktifitas atau kehantaran termal benda itu, sedangkan tanda

minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir

ketempat yang lebih rendah dalam skala suhu, sebagaimana juga ditunjukkan dalam sistem

koordinat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2. Bagan yang menunjukkan arah aliran kalor.

3. PROSES DESAIN DAN MANUFAKTUR

3.1. Desain pemanas pada alat uji pin-on-disc Penelitian ini adalah pada rancang bangun dan pengujian pemanas alat uji Pin-on-Disc.

Pada perancangan ini menggunakan solidworks 2010 untuk mendesain alat uji tersebut. Serta

pengujian yang dimampu dilakukan oleh alat tersebut dengan variasi temperatur yang hasilnya

dapat langsung dilihat pada komputer.

Gambar 3.1. Desain Pin on Disc

Gambar 3.2. Desain pemanas disc Gambar 3.3. Pemanas disc


ISBN 978-602-99334-1-3

D.32

3.2. Persiapan elemen pemanas

Pada alat uji Pin-On-Disc ini Alat pemanas disk menggunakan peltier (Gambar 3.4) dan

pengontrol suhu pada disk.

Gambar 3.4. Peltier

Spesifikasi dari peltier yang digunakan :

- Thermoelectric - Bagian luar komponen ini dibungkus sejenis keramik tipis yang berisikan batang-batang

BismuthTelluride di dalamnya

- Tinggi = 3,94 mm - Panjang = 29,70mm - Lebar = 29,70 mm

Penempatan elemen pemanas dan sensor diletakkan didalam piringan tempat material uji.

Gambar 3.5. Penempatan Peltier dan Sensor suhu pada dudukan disc

Data peralatan dan sensor yang akan digunakan dapat dilihat pada tabel dibawah ini :

Tabel 3.1. Tabel alat dan spesifikasi

No Alat Spesifikasi

1 Motor DC Tegangan max 24 volt

2 Sensor Gaya Load cell dengan resolusi 1 gram

3 Sensor Suhu Type DS18B20

4 Sensor Putaran Optocoupler H21A2

5 Pemanas PELTIER Seri 9501/127/030 B

6 Driver Motor Mosfet Seri IRFZ44, teg s/d 60 volt & arus s/d 50 A

7 Catu Daya Swiching max 22A

8 Driver Control ATMEGA 16

3.1. Sistem pengoperasian Pengoprasian pemanas dan sensor serta perangkat yang lain langsung dalam 1 kontrol

didalam komputer dengan software DHELPI.

Alur penggunaan Pemanas pada alat uji :

Sensor Suhu

PELTIER


Gambar 3.6. Alur kerja rancangan alat uji

Gambar 3.7. Software pengoperasian

3.2. Analisa Data Dari perencanaan dan pembuatan alat uji tersebut maka dapat ditentukan beberapa data-

data dari hasil pengujian. Parameter perancangan ini nantinya membandingkan variasi pengujian :

Tabel 3.2. Tabel Variasi Parameter No Parameter Keterangan

1 Putaran 5 Rpm sampai dengan 30 Rpm

2 Jarak rolling Disc (material uji) 95 mm

3 Beban 0,05 N sampai dengan 5 N

4 Temperatur 25 C sampai dengan 85C

5 Bola baja Diameter 6 mm sampai dengan 10 mm

Data pengujian yang direncanakan dengan beban 1,2,3 dan 5 N, bola baja diameter 10 mm,

variasi temperatur dibagi menjadi 5 level (40o C,50

o C ,60

o C ,70

o C ,80

o C) :

Gambar 3.8. Grafik hubungan temperatur dan waktu dari pemanas pin-on-disc

Catu daya Peltier

Sensor suhu

Motor DC

Komputer


ISBN 978-602-99334-1-3

D.34

4. KESIMPULAN Pengaruh temperatur pada menggunakan pin-on-disk ini. Ditemukan bahwa pengaruh

temperatur terhadap kontak antara permukaan pada temperatur tinggi permukaan gesekan, hasil

dalam gesekan tinggi dan permukaan mengalami kerusakan. Disimpulkan bahwa seperti memakai

mekanisme dan transisi sebagai hasil dari peningkatan temperatur. Kekurangan dari desain ini

adalah pada proses peningkatan temperatur yang tidak bisa cepat dan tidak bisa untuk mencapai

temperatur yang tinggi.

5. DAFTAR PUSTAKA N. MARJANOVIC, B. TADIC,B. IVKOVIC, S. MITROVIC. Design of Modern Concept

Tribometer with Circular and Reciprocating Movement. Tribology in industry, Volume 28, No. 3&4, 2006.

Johnson, K. L. (1985). Contact Mechanics, 9th Edition, Cambridge University Press, New York.

Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus (ASTM G-99)

Ing. Ji Hjek, Dr. Ing. Antonn K, Ing. Petr Bene (2005), Tribological behaviour of hardwear resistant layers at high temperatures, University of West Bohemia in Pilsen.

Miti Developments, Mohawk Innovatiove. Technology,inc.(februari 2002) High Speed, High Temperature Tribometers, HTP Series vol 14.

Jamari, . 2006. Running-in of Rolling Contacts, PhD Thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands.

Yan, W., O'Dowd, N. P., & Busso, E. P. (2002). Numerical study of sliding wear caused by a

loaded pin on a rotating disc. J. Mech. Phys. Sol., 50, 449-470.

Amro M. Al-Qutub (april 2009), EFFECT OF HEAT TREATMENT ON FRICTION AND WEAR BEHAVIOR OF Al-6061 COMPOSITE REINFORCED WITH 10% SUBMICRON Al2O3

PARTICLES, Department of Mechanical Engineering King Fahd University of Petroleum and Minerals Dhahran, Saudi Arabia

A. Zulfia dan M. Ariati (APRIL 2006), Departemen Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik,

Universitas Indonesia.

Rahmat Saptono. Universitas Indonesia (2005), Prinsip-Prinsip Desain Rekayasa (Engineering

Desaign Prinsiples by Kenneth S. Hurst. University of Hull)

Zum Gahr, K. H. (1987). Microstructure and Wear of Materials. Elseiver, Amsterdam, The Netherlands.

Stachowiak, Gwidon W. (2005) Wear Materials, Mechanisms And Practice. John Wiley & Sons, Ltd., West Sussex, England.

Suh, N. P. (1986). Tribophysics. Prentice-Hall Inc., Englewood Cliff, New Jersey.

Blau, P. J. (2001). The significance and the use of friction coefficient. Tribology International, 34,

585-591.

Stachowiak, Gwidon W. & Batchelor, Andrew W. (2005) Engineering Tribology. 3th Edition,

Elseiver, Burlngton, USA.

Liu, R. & Li, D.Y. (2001). Modification of Archards equetion by taking account of elastic/pseudoelastic properties of materials. Wear, 251, 956-964.

J.P Holman .translate by Ir. E. Jasjfi M.Sc. LEMIGAS. Penerbit ERLANGGA.

(1994),Perpindahan kalor .edisi keenam.

[email protected]. Pin on Disc type Tribometer Friction & Wear Machine. Paul C. Okonkwo, Georgina Kelly, Bernard F. Rolfe &Michael P. Pereira. (2012). The effect of

temperature on sliding wear of steel-tool steel pairs. Wear 282-283 (2012) 22-30.

Paul C. Okonkwo, Michael P. Pereira Georgina Kelly & Bernard F. Rolfe.

63-120-1-sm

Documents